专利名称：高铁酸钾-光催化氧化方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于环境保护技术领域，特别涉及可去除水中难降解的有毒有害物质、杀菌、除 藻、除臭的高价铁钾一光催化氧化装置和方法
背景技术：
近来，由于水中难降解的有毒有害物质的增加，研究新的高效的水处理技术越来越紧迫。 高铁酸钾是20世纪70年代以来开发的一种继臭氧、过氧化氢、二氧化氯之后的一种新型水消 毒剂。高铁酸钾是六价铁盐，具有很强的氧化性，特别是在酸性条件下，它的标准氧化还原 电位(2.20 V)是现今所有应用在水处理中的消毒剂中最大的。此外，在氧化过程中，高铁 酸钾自身被还原成新的物质Fe(0H)3,是一种好的无机絮凝剂，能高效地去除水中的细小的悬 浮物。研究表明，高铁酸钾作水处理剂时，适宜pH为7.0 8.5，高铁酸钾分解快，产生原子 态的氧，具有很强的杀菌、灭藻能力。不仅如此，高铁酸钾在整个水的消毒和净化过程中， 不会产生三氯甲烷(THMs)等任何对人体有害的物质，不会引入有害生物体的二次污染。处 理后的水无嗅无味，口感好。高铁酸钾用作消毒剂所存在的缺点是Fe(VI)具有很强的选择 性，对不同化合物的氧化速率和效率不同。
光催化氧化方法是指在紫外光的照射下，光能量hv达到或超过半导体带隙的能量Es时， 在价带上的电子就会被激发到导带同时在价带上产生空穴。价带上的光生空穴(hvb+)是很强的 氧化剂，导带上的光生电子是很好的还原剂。由于Ti02光催化中电子迁移到氧气的速率很低， 导致光催化的效率很低，并且光生电子(e^)和空穴(hvb+)对重新组合率很高，由此造成量子 产率不到5%,使光催化氧化的效率较低，反应时间缓慢，这是其应用于水处理的最大缺陷 为了提高停留时间，则需要大大增加的处理设备的尺寸和建造费用。
发明内容
本发明的目的是提供一种高铁酸钾一光催化氧化协同反应的方法和装置，以克服单纯的 高铁酸钾氧化方法的高选择性，和单纯的光催化氧化方法效率低的缺陷。 为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案
考虑到光催化氧化方法的光生电子和空穴容易结合，从而大大降低光催化氧化方法的
效率；Fe(V)的氧化性是Fe(VI)的103~105倍。
因此，本发明将高铁酸钾和光催化反应相结合，光催化反应生成的导带电子还原高铁酸 钾，生成氧化活性更高的Fe(V)。反应进行的同时阻止了光催化过程中光生电子(eeO和光生 空穴(hvb+)对的重新组合，提高了光催化氧化的效率。根据本反应原理设计了协同反应的装 置
一种高铁酸钾一光催化氧化装置，将高铁酸钾和二氧化钛悬浮在溶液中，接受紫外光的 照射，外部接有冷却循环水，并连接有鼓风机，磁力搅拌器，水量大时，可更换为电动搅 拌器。外接泵将反应后的水抽出。为了防止紫外光对身体造成损害，外置铁箱保护。一种高效氧化反应方法，其特征在于包括高铁酸钾结合光催化反应中产生的光生电 子生成Fe(V)，抑制光催化氧化中光生电子和光生空穴的再结合。
将高铁酸钾与催化剂共同置于含有有毒、有害、或者难降解物质的溶液中，接受紫外灯 管和可见光灯管的照射。
高铁酸钾和催化剂接受可见光或紫外光的照射，照射光的波长范围为254nm —365nm。 所述催化剂包括二氧化钛Ti02掺其他金属的二氧化钛Ti02、氧化锌ZnO、以及硫化锌
ZnS.
高铁酸钾的状态为溶解在水溶液中，而催化剂悬浮在溶液中。
反应的pH范围在7 — 12之间。
光照强度的范围在117x1016—2xl0"einmin"之间。
实现权利要求上述方法的装置，其包括紫外灯管，石英套管，固定部件，灯管电线， 冷却容器，反应器，取样出水口，冷却水进水口，冷却水出口，空气进口，放空管，空气管 接空气泵；
反应装置分三个区，正中间放置紫外灯管，外套石英套管；石英套管外围为反应器，反 应区外围设冷却容器；石英套管用固定螺丝固定在反应装置上，灯管电线连接电源通电；装 置取样出水口连通反应器；放空管设于装置底部，连通反应器；对称设置空气进口连通反应 器，空气由气泵送入；冷却水进水口连通冷却容器；冷却水出口管设于取样出水管的对面， 相邻设有两个，使冷却水及时排出。
冷却水进水口仅设一边，连通冷却容器；
该装置总高400mm,装置取样出水口管中心距装置顶部55mm。 上述方法在氧化降解水中难降解的有机物方面的应用。
由于采用以上技术方案，本发明具有以下有益效果克服了单纯高铁酸钾有限的pH值应 用范围，可应用的范围在pH7 — 12，并且无二次污染，设备的体积小，安装简单，无噪音， 反应速率快，具有很强的杀菌、灭藻、氧化、吸附、絮凝、去浊、脱色、除臭为一体的新型 实验装置。实验证明了该氧化装置的强烈的氧化和絮凝作用，比较全面的优于含氯消毒剂和 高锰酸盐等目前的水处理应用的试剂和装置。本发明提供了一种高效、简单、节能、环保的 高铁酸钾一光催化氧化协同反应方法和装置。
图l为本发明实施例高铁酸钾一光催化氧化方法协同作用反应示意图。 图2为本发明实施例高铁酸钾一光催化氧化方法反应装置的俯视图。 图3为本发明实施例高铁酸钾一光催化氧化方法反应装置的侧视图。
具体实施例方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
如附图所示，本发明反应装置包括以下部件紫外灯管l，石英套管2，固定螺丝3，灯 管电线4，冷却容器5，反应器6，取样出水口7，冷却水进水口8，冷却水出口9，空气进口 10，放空管ll。反应器壁以及取样管均采用有机玻璃材料或采取适当防腐措施，空气管接 空气泵，使二氧化钛Ti02悬浮在水中，形成悬浊液，使Fe(VI)、 Ti02和水中的需要降解的 物质充分接触，有利于反应的进行。反应装置分三个区，正中间放置紫外灯管l，外套石英套管2;石英套管外围为反应器6，
反应区外围设冷却容器5。石英套管2用固定螺丝固定在反应装置上，灯管电线4连接电源 通电。装置总高400mm，装置取样出水口 7管中心距装置顶部55mm，连通反应器6;放空 管ll设于装置底部，连通反应器6;对称设置空气进口 10，连通反应器6，空气由气泵送入； 冷却水进水口8，仅设一边，连通冷却容器5;冷却水出口管，设于取样出水管7的对面，相 邻设有两个，使冷却水及时排出。
反应时，将需要处理的溶液置于反应器中，水通过冷却水进水口 8流入，并充满冷却容 器。空气从对称空气进口鼓入，而后加入Ti02颗粒，Ti02颗粒在空气的作用下，悬浮在溶液 中。加入适量的高铁酸钾溶液，打开紫外灯管。反应迅速进行中，反应一段时间之后，关闭 紫外灯管，打开放空管阀门，处理后的反应溶液流出。
如图2所示，高铁酸钾一光催化氧化反应装置俯视图中包括固定螺丝1，紫外灯管2，冷 却容器3，反应器4。
如图3所示，高铁酸钾一光催化氧化反应装置侧视图，其中包括灯管电线l，紫外灯管2， 出水口3，冷却水出口4，冷却容器5，石英套管6，反应器7，空气进口8，冷却水进水9，放空 管10。反应器壁以及取样管均采用有机玻璃材料或采取适当防腐措施，空气管接空气泵，使 二氧化钛Ti02和高铁酸钾悬浮在水中，形成悬浊液，使Fe(VI)、 Ti02和水中的需要降解的物质 充分接触，有利于反应的进行。
下面结合实例对本发明作进一步的描述
具体实例1
一个近紫外灯管，功率为6W，主要放射波长为365nm，高铁酸钾为实验室自制备，纯度 99%。高铁酸钾0.1mM，典型的内分泌干扰素双酚A(BPA) 0. lmM，Ti02为l g.L—1，实验发现 UV与Ti02共同作用10 min， BPA的浓度减少了 18%; Fe (VI)单独作用10min， BPA的浓度减 少了33%; UV、 Ti02与Fe(VI)联用，10min后BPA的去除率达到了 65%。
具体实例2
一个近紫外灯管，功率为8W，主要放射波长为365nm，高铁酸钾为实验室自制备，纯度 99%。高铁酸钾O. 16mM,驱蚊油(DMP) 10. 3Mg/L，Ti02为40mg/L，实验发现120min以后，在 UV与Ti02共同作用下，DMP的浓度减少了 12%;而UV、 Ti02与Fe(VI)联用，120min后DMP 的去除率达到了65%。
具体实例3
一个近紫外灯管，功率为6W,主要放射波长为365nm，高铁酸钾为实验室自制备，纯度 99%。高铁酸钾O. lmM，典型的内分泌干扰素雌二醇,Ti02为40 mg/L，实验发现UV与Ti02 共同作用90 min，的浓度减少了 10%; UV、 Ti02与Fe(VI)联用，90min后雌二醇的去除率达 到了 80%。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉 本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应 用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技 术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种高效氧化反应方法，其特征在于包括高铁酸钾结合光催化反应中产生的光生电子生成Fe(V)，抑制光催化氧化中光生电子和光生空穴的再结合。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于将高铁酸钾与催化剂共同置于含有有毒、 有害、或者难降解物质的溶液中，接受紫外灯管和可见光灯管的照射。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于高铁酸钾和催化剂接受可见光或紫外光的照射，照射光的波长范围为254nm —365 nm。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述催化剂包括二氧化钛Ti02掺其他金 属的二氧化钛Ti02、氧化锌ZnO、以及硫化锌ZnS。
5. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于高铁酸钾的状态为溶解在水溶液中，而催 化剂悬浮在溶液中。
6. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于反应的pH范围在7—12之间。
7. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于:光照强度的范围在117xl0"—2xl0"einmin'1之间。
8. 实现权利要求1至7中任一所述的方法的装置，其特征在于其包括紫外灯管，石英套管，固定部件，灯管电线，冷却容器，反应器，取样出水口， 冷却水进水口，冷却水出口，空气进口，放空管，空气管接空气泵； 反应装置分三个区，正中间放置紫外灯管，外套石英套管；石英套管外围为反应器， 反应区外围设冷却容器；石英套管用固定螺丝固定在反应装置上，灯管电线连接电源通电； 装置取样出水口连通反应器；放空管设于装置底部，连通反应器；对称设置空气进口连通 反应器，空气由气泵送入；冷却水进水口连通冷却容器；冷却水出口管设于取样出水管的 对面，相邻设有两个，使冷却水及时排出。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于冷却水进水口仅设一边，连通冷却容器； 该装置总高400mm，装置取样出水口管中心距装置顶部55mm。
10. 权利要求1至7中任一所述方法在氧化降解水中难降解的有机物方面的应用。
全文摘要
本发明一种高铁酸钾—光催化氧化方法和装置，包括高铁酸钾结合光催化反应中产生的光生电子生成Fe(V)，抑制光催化氧化中光生电子和光生空穴的再结合；所述的反应装置是高铁酸钾—光催化氧化反应装置。本发明不但节能、环保，而且具有极高的氧化效率，克服了单纯的高铁酸钾氧化方法的高选择性和单纯的光催化氧化方法效率低的缺陷，特别是克服了光催化氧化方法反应时间缓慢的缺陷。此外，本发明的装置体积小、安装简单、无噪音，可应用的pH范围广，并且无二次污染，反应速率快，具有很强的杀菌、灭藻、氧化、吸附、絮凝、去浊、脱色、除臭为一体的新型实验装置，特别适合应用在饮用水处理中。
文档编号C02F1/32GK101293695SQ20081003924
公开日2008年10月29日 申请日期2008年6月20日 优先权日2008年6月20日
发明者姚行平, 聪 李, 李学艳, 艳 马, 高乃云 申请人:同济大学